發射成功! 全球首顆量子科學實驗衛星

大陸成功發射全球首顆量子科學實驗衛星。

大陸8月16日01時40分在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將全球首顆量子科學實驗衛星(簡稱量子衛星)發射升空。此次發射任務的圓滿成功,標誌著大陸空間科學研究又邁出重要一步。

根據中新網報導,量子衛星是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一,其主要科學目標是藉助衛星平台,進行星地高速量子密鑰分發實驗,並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗,以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破;在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗,開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

量子衛星工程由中國科學院國家空間科學中心抓總負責。中國科學技術大學負責科學目標的提出和科學應用系統的研製;中國科學院上海微小衛星創新研究院(上海微小衛星工程中心)抓總研製衛星系統,中國科學院上海技術物理研究所聯合中國科學技術大學研製有效載荷分系統;中國科學院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統研製、建設和運行,對地觀測與數字地球科學中心等單位參加。

大陸自主研發的量子衛星突破了一系列高新技術,包括同時瞄準兩個地面站的高精度星地光路對准、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等工程級關鍵技術等,衛星設計壽命為兩年。量子衛星的成功發射和在軌運行,將有助於大陸在量子通信技術實用化整體水準上保持和擴大國際領先地位,實現國家資訊安全和資訊技術水準跨越式提升,有望推動大陸科學家在量子科學前沿領域取得重大突破,對於推動大陸空間科學衛星系列可持續發展具有重大意義。

本次任務還搭載發射了中國科學院研製的稀薄大氣科學實驗衛星和西班牙科學實驗小衛星。長征二號丁運載火箭由中國航天科技集團公司所屬上海航太技術研究院研製。此次發射是長征系列運載火箭的第234次飛行。


大陸成功發射全球首顆量子科學實驗衛星。

太空衛星類比資料圖
太空衛星模擬資料圖。


『量子科學實驗衛星』工作示意圖。

量子通信是什麼?

量子世界中存在一種類似『心電感應』的現象,即量子糾纏。就好比有些雙胞胎,雖然哥哥在北京,弟弟在上海,當哥哥特別高興時,弟弟也會特別高興;而哥哥特別痛苦的時候,弟弟也會特別痛苦。

量子糾纏是指在微觀世界裡,有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關係,不管它們相距多遠,只要一個粒子狀態發生變化,另一個粒子狀態也會發生相應變化,即兩個或兩個以上的穩定粒子間會有強的量子關聯,但為什麼會這樣?科學家們直到今天還沒搞清楚。

實驗已證明,具有糾纏態的兩個光量子無論相距多遠,只要一個發生變化,另外一個也會瞬間發生變化。量子保密通信就是利用這個特性實現的,即基於量子糾纏態的理論,透過量子密鑰傳輸和量子隱形傳態的方式實現資訊傳遞。

其過程如下:事先構建一對具有糾纏態的光量子,將這對光量子分別放在通信雙方,把具有未知量子態的光量子與發送方的光量子進行聯合測量,則接收方的光量子瞬間變化為某種狀態,這個狀態與發送方的光量子變化後的狀態是對稱的,然後把聯合測量的資訊透過經典通道傳送給接收方,接收方根據接收到的資訊對變化的光量子進行麼正變換(相當於逆轉變換),就可得到與發送方完全相同的未知量子態。

量子通信的關鍵要素是量子密鑰,用具有量子態的物質作為密碼。在傳遞資訊的過程中,量子密鑰一旦被截獲,其自身狀態會立刻發生改變,截獲量子密鑰的人只能得到無效資訊,而資訊的合法接收者也能立刻察覺,直到一把新的密鑰安全無誤地被接收。

量子衛星能做什麼?

大陸量子科學實驗衛星質量約640千克,由長征-2D運載火箭發射,運行於500公里太陽同步軌道,軌道傾角為97.37°,設計在軌運行壽命2年。科學家已在相距300公里的地面成功進行了量子糾纏實驗,而量子科學實驗衛星將把這個實驗帶到外太空,連接大陸和歐洲之間的量子通信網,旨在建立衛星與地面遠距離量子科學實驗平台,在國際上首次在空間大尺度下實現星地自由空間量子密鑰生成和分發,以及量子隱形傳態實驗等。

該衛星的核心是一個能夠產生成對糾纏態光量子的晶體,無論它們分開多遠,其性質仍然能糾纏在一起。其第一個任務是發送這些成對量子中的一方去往在北京和維也納的地面站,並使用它們來生成密鑰;第二個任務是證明這個糾纏可以存在於相隔上公里的粒子之間,因為量子理論預測糾纏一直存在於任何距離;第三個任務是嘗試地面與衛星之間量子隱形傳態,使用透過傳統方式傳輸來的糾纏光量子對及其所攜帶的資訊,在一個新位置重建光子的量子狀態。


工作人員調試超冷原子光晶格平台的鐳射伺服系統。


潘建偉院士演示實用化量子通信產品進行遠距離保密通話。